建筑鋼結(jié)構用鋼材

1、學習情景2 建筑鋼結(jié)構用鋼材,知識點： 本項目講述了結(jié)構甩鋼材的分類及其化學成分、 力學性能，建筑鋼材的品種、規(guī)格以及材質(zhì)的 檢驗和驗收。教學目標：通過學習，了解鋼材的品種、熟悉鋼材的性能、 掌握鋼材的選用，能夠根據(jù)施工的需要、設計 的要求合理選擇鋼材，以保證正常施工。,一、鋼材的冶

2、煉 從鐵礦石開始到最終產(chǎn)品的鋼材為止，鋼材的生產(chǎn)大致可分為煉鐵、煉鋼和軋制三道工序。 1、煉鐵 礦石中的鐵是以氧化物的形態(tài)存在的，要用與氧的親和力比鐵更大的物質(zhì)——一氧化碳與碳等還原劑，通過還原作用從礦石中除去氧，還原出鐵。同時，為了使砂質(zhì)和粘土質(zhì)的雜質(zhì)（礦石中的廢石）易于熔化為熔渣，常用石灰石作為熔劑。所有這些作用只有在足夠的溫度下才會發(fā)生，因此鐵的冶煉都是在可以鼓入熱風的高爐內(nèi)進行。,

3、2、煉鋼 含碳量在2.06％以下的鐵碳合金稱為碳素鋼。因此，當用生鐵制鋼時，必須通過氧化作用除去生鐵中多余的碳和其它雜質(zhì)，使它們轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸镞M入渣中，或成氣體逸出。這一作用也要在高溫下進行，稱為煉鋼。常用的煉鋼爐有三種形式：轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐。,電爐煉鋼是利用電熱原理，以廢鋼和生鐵等為主要原料，在電弧爐內(nèi)冶煉。由于不與空氣接觸，易于清除雜質(zhì)和嚴格控制化學成分，煉成的鋼質(zhì)量好。但因耗電量大，成本高，一般只用來冶煉特種用途的鋼

4、材。 轉(zhuǎn)爐煉鋼是利用高壓空氣或氧氣使爐內(nèi)生鐵熔液中的碳和其它雜質(zhì)氧化，在高溫下使鐵液變?yōu)殇撘骸Ｑ鯕忭敶缔D(zhuǎn)爐冶煉的鋼中有害元素和雜質(zhì)少，質(zhì)量和加工性能優(yōu)良，且可根據(jù)需要添加不同的元素，冶煉碳素鋼和合金鋼。由于氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐可以利用高爐煉出的生鐵熔液直接煉鋼，生產(chǎn)周期短、效率高、質(zhì)量好、成本低。,,平爐煉鋼是利用煤氣或其它燃料供應熱能，把廢鋼、生鐵熔液或鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼。平爐的原料廣泛，容積大，產(chǎn)量高

5、，冶煉工藝簡單，化學成分易于控制，煉出的鋼質(zhì)量優(yōu)良。但平爐煉鋼周期長，效率低，成本高，現(xiàn)已逐漸被氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼所取代。 3、鋼材的澆注和脫氧 按鋼液在煉鋼爐中或盛鋼桶中進行脫氧的方法和程度的不同，碳素結(jié)構鋼可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼4類。,,沸騰鋼采用脫氧能力較弱的錳作脫氧劑，脫氧不完全，在將鋼液澆注入鋼錠模時，會有氣體逸出，出現(xiàn)鋼液的沸騰現(xiàn)象。沸騰鋼在鑄模中冷卻很快，凝固后在鋼材中留有較

6、多的氧化鐵夾雜和氣孔。鋼的質(zhì)量較差。鎮(zhèn)靜鋼采用錳加硅作脫氧劑，脫氧較完全，硅在還原氧化鐵的過程中還會產(chǎn)生熱量，使鋼液冷卻緩慢，使氣體充分逸出，澆注時不會出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。這種鋼質(zhì)量好，但成本高。半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于上述二者之間。特殊鎮(zhèn)靜鋼是在錳硅脫氧后，再用鋁補充脫氧，其脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼。低合金高強度結(jié)構鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼。,隨著冶煉技術的不斷發(fā)展，用連續(xù)鑄造法生產(chǎn)鋼坯（用作軋制鋼材的半成品）的工藝和設備已逐漸取代了笨重而復雜的鑄錠—開坯

7、—初軋的工藝流程和設備。連鑄法的特點是：鋼液由鋼包經(jīng)過中間包連續(xù)注入被水冷卻的銅制鑄模中，冷卻后的坯材被切割成半成品。連鑄法的機械化、自動化程度高，可采用電磁感應攪拌裝置等先進設施提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)的鋼坯整體質(zhì)量均勻，但只有鎮(zhèn)靜鋼才適合連鑄工藝。因此國內(nèi)大鋼廠已很少生產(chǎn)沸騰鋼，若采用沸騰鋼，不但質(zhì)量差，而且供貨困難，價格并不便宜。,鋼材冶煉的幾個名詞含義如下： （1）退火- annealing 將金屬緩

8、慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝。目的是使經(jīng)過鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件軟化，改善塑性和韌性，使化學成分均勻化，去除殘余應力，或得到預期的物理性能。,（2）正火 正火是將工件加熱到Ac：或Acm以上30～50℃，保溫一定時間后，從爐中取出在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。 （3）淬火 淬火是將鋼加熱到臨界點以上

9、，保溫后以大于臨界冷卻速度（Vc）冷卻，以得到馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。,（4）回火 回火是將淬火鋼加熱至A1點以下某一溫度保溫一定時間后，以適當方式冷到室溫的熱處理工藝。它是緊接淬火的下道熱處理工序，同時決定了鋼在使用狀態(tài)下的組織和性能，關系著工件的使用壽命，故是關鍵工序。,二、 鋼材的組織構造和缺陷 1、鋼材的組織構造(圖2.1) 碳素結(jié)構鋼是通過在強度較低而塑性較好的純鐵中加

10、適量的碳來提高強度的，一般常用的低碳鋼含碳量不超過0.25％。低合金結(jié)構鋼則是在碳素結(jié)構鋼的基礎上，適當添加總量不超過5％的其它合金元素，來改善鋼材的性能。,a. 碳素鋼多晶體結(jié)構示意圖 b.鐵的體心立方晶格圖2.1 鋼的組織結(jié)構,2、鋼材的鑄造缺陷 當采用鑄模澆注鋼錠時，與連續(xù)鑄造生產(chǎn)的鋼坯質(zhì)量均勻相反，由于冷卻過程中向周邊散熱，各部分冷卻速度不同，在鋼錠內(nèi)形成了不同的結(jié)晶帶（圖2.2）。

11、靠近鑄模外殼區(qū)形成了細小的等軸晶帶，靠近中部形成了粗大的等軸晶帶，在這二部分之間形成了柱狀晶帶。這種組織結(jié)構的不均勻性，會給鋼材的性能帶來差異。 鋼材的組織構造和缺陷，均會對鋼材的力學性能產(chǎn)生重要的影響。,,1-表面細晶粒層；2-柱狀晶粒區(qū)；3-心部等軸晶粒區(qū)圖2.2 負錠組織示意圖,三、鋼材的加工 鋼材的加工分為熱加工、冷加工和熱處理三種。將鋼坯加熱至塑性狀態(tài)，依靠外力改變其形狀，產(chǎn)生出各種厚度的鋼板

12、和型鋼，稱為熱加工。在常溫下對鋼材進行加工稱為冷加工。通過加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼的組織結(jié)構發(fā)生變化，以獲得所需性能的加工工藝稱為熱處理。,1、熱加工 將鋼錠或鋼坯加熱至一定溫度時，鋼的組織將完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體狀態(tài)，奧氏體是碳溶入面心立方晶格的γ鐵的固溶體，雖然含碳量很高，但其強度較低，塑性較好，便于塑性變形。因此鋼材的軋制或鍛壓等熱加工，經(jīng)常選擇在形成奧氏體時的適當溫度范圍內(nèi)進行。選擇原則是開始熱加工時的溫度不得

13、過高，以免鋼材氧化嚴重，而終止熱加工時的溫度也不能過低，以免鋼材塑性差，引發(fā)裂紋。一般開軋和鍛壓溫度控制在1150～1300℃。,鋼材的軋制是通過一系列軋輥，使鋼坯逐漸輥軋成所需厚度的鋼板或型鋼，圖2.3是寬翼緣H型鋼的軋制示意圖。鋼材的鍛壓是將加熱了的鋼坯用錘擊或模壓的方法加工成所需的形狀，鋼結(jié)構中的某些連接零件常采用此種方法制造。,圖2.3 寬翼緣H型鋼軋制示意圖,熱加工可破壞鋼錠的鑄造組織，使金屬的晶粒變細，還可在高溫和壓力下壓合

14、鋼坯中的氣孔、裂紋等缺陷，改善鋼材的力學性能。熱軋薄板和壁厚較薄的熱軋型鋼，因輥軋次數(shù)較多，軋制的壓縮比大，鋼材的性能改善明顯，其強度、塑性、韌性和焊接性能均優(yōu)于厚板和厚壁型鋼。鋼材的強度按板厚分組就是這個緣故。 熱加工使金屬晶粒沿變形方向形成纖維組織，使鋼材沿軋制方向（縱向）的性能優(yōu)于垂直軋制方向（橫向）的性能，即使其各向異性增大。因此對于鋼板部件應沿其橫向切取試件進行拉伸和冷彎試驗。,鋼中的硫化物和氧化物等非金屬夾雜

15、，經(jīng)軋制之后被壓成薄片，對軋制壓縮比較小的厚鋼板來說，該薄片無法被焊合，會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。分層使鋼板沿厚度方向受拉的性能惡化，在焊接連接處沿板厚方向有拉力作用（包括焊接產(chǎn)生的約束拉應力作用）時，可能出現(xiàn)層狀撕裂現(xiàn)象（圖2.4），應引起重視。,圖2.4因焊接產(chǎn)生的層狀撕裂,2、冷加工 在常溫或低于再結(jié)晶溫度情況下，通過機械的力量，使鋼材產(chǎn)生所需要的永久塑性變形，獲得需要的薄板或型鋼的工藝稱為冷加工。冷加工包括冷軋、冷彎、冷拔

16、等延伸性加工，也包括剪、沖、鉆、刨等切削性加工。冷軋卷板和冷軋鋼板就是將熱軋卷板或熱軋薄板經(jīng)帶鋼冷軋機進一步加工得到的產(chǎn)品。在輕鋼結(jié)構中廣泛應用的冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板也是經(jīng)輥軋或模壓冷彎所制成。組成平行鋼絲束、鋼絞線或鋼絲繩等的基本材料——高強鋼絲，就是由熱處理的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼盤條經(jīng)多次連續(xù)冷拔而成的。,鋼材經(jīng)冷加工后，會產(chǎn)生局部或整體硬化，即在局部或整體上提高了鋼材的強度和硬度，但卻降低了塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化（或應變硬化

17、）。冷拔高強度鋼絲充分利用了冷作硬化現(xiàn)象，在懸索結(jié)構中有廣泛的應用。冷彎薄壁型鋼結(jié)構在強度驗算時，可有條件地利用因冷彎效應而產(chǎn)生的強度提高現(xiàn)象。但對截面復雜的鋼構件來說，這種情況是無法利用的。相反，鋼材由于冷硬變脆，常成為鋼結(jié)構脆性斷裂的起因。因此，對于比較重要的結(jié)構，要盡量避免局部冷加工硬化的發(fā)生。,3、熱處理 鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，施以不同的加熱、保溫和冷卻措施，籍改變其內(nèi)部組織構造，達到改善鋼材性能的一種加

18、工工藝。鋼材的普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。 退火和正火是應用非常廣泛的熱處理工藝，用其可以消除加工硬化、軟化鋼材、細化晶粒、改善組織以提高鋼的機械性能；消除殘余應力，以防鋼件的變形和開裂；為進一步的熱處理作好準備。,淬火工藝是將鋼件加熱到900℃以上，保溫后快速在水中或油中冷卻。在極大的冷卻速度下原子來不及擴散，因此含有較多碳原子的面心立方晶格的奧氏體，以無擴散方式轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚舆^飽和的鐵固溶體，稱為

19、馬氏體。馬氏體是一種不穩(wěn)定的組織，不宜用于建筑結(jié)構。 回火工藝是將淬火后的鋼材加熱到某一溫度進行保溫，而后在空氣中冷卻。將淬火后的鋼材加熱至500～650℃，保溫后在空氣中冷卻，稱為高溫回火。通常稱淬火加高溫回火的工藝為調(diào)質(zhì)處理。強度較高的鋼材，如Q420中的C、D、E級鋼和高強度螺栓的鋼材都要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。,四、鋼材的主要性能 1、鋼材的破壞形式 鋼材有兩種完全不同的破壞形式：塑性破壞（

20、ductile fracture）和脆性破壞（brittle fracture）。鋼結(jié)構所用的鋼材在正常使用條件下，雖然有較高的塑性和韌性，但在某些條件下，仍然存在發(fā)生脆性破壞的可能性。,塑性破壞的主要特征是，破壞前具有較大的塑性變形，常在鋼材表面出現(xiàn)明顯的相互垂直交錯的銹跡剝落線。只有當構件中的應力達到抗拉強度后才會發(fā)生破壞，破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。由于塑性破壞前總有較大的塑性變形發(fā)生，且變形持續(xù)時間較長，容易被發(fā)現(xiàn)和搶修加固

21、，因此不至發(fā)生嚴重后果。鋼材塑性破壞前的較大塑性變形能力，可以實現(xiàn)構件和結(jié)構中的內(nèi)力重分布，鋼結(jié)構的塑性設計就是建立在這種足夠的塑性變形能力上。,脆性破壞的主要特征是，破壞前塑性變形很小，或根本沒有塑性變形，而突然迅速斷裂。破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或有人字紋。由于破壞前沒有任何預兆，破壞速度又極快，無法察覺和補救，而且一旦發(fā)生常引發(fā)整個結(jié)構的破壞，后果非常嚴重，因此在鋼結(jié)構的設計、施工和使用過程中，要特別注意防止這種破壞的發(fā)生

22、。,鋼材存在的兩種破壞形式與其內(nèi)在的組織構造和外部的工作條件有關。試驗和分析均證明，在剪力作用下，具有體心立方晶格的鐵素體很容易通過位錯移動形成滑移，即形成塑性變形；而其抵抗沿晶格方向伸長至拉斷的能力卻強大得多，因此當單晶鐵素體承受拉力作用時，總是首先沿最大剪應力方向產(chǎn)生塑性滑移變形（圖2.5）。,圖2.5 鐵素體單晶體的塑性滑移,實際鋼材是由鐵素體和珠光體等組成的，由于珠光體間層的限制，阻遏了鐵素體的滑移變形，因此受力初期表現(xiàn)出彈性

23、性能。當應力達到一定數(shù)值，珠光體間層失去了約束鐵素體在最大剪應力方向滑移的能力，此時鋼材將出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，先前鐵素體被約束了的塑性變形就充分表現(xiàn)出來，直到最后破壞。顯然當內(nèi)外因素使鋼材中鐵素體的塑性變形無法發(fā)生時，鋼材將出現(xiàn)脆性破壞。,2、鋼材在單向一次拉伸下的工作性能 鋼材的多項性能指標可通過單向一次（也稱單調(diào)）拉伸試驗獲得。試驗一般都是在標準條件下進行的，即：試件的尺寸符合國家標準，表面光滑，沒有孔洞、刻槽等缺陷；荷載

24、分級逐次增加，直到試件破壞；室溫為20℃左右。圖2.6給出了相應鋼材的單調(diào)拉伸應力－應變曲線。,,,圖2.6鋼材的單調(diào)拉伸應力—應變曲線,由低碳鋼和低合金鋼的試驗曲線看出，在比例極限（proportional limit）σp以前鋼材的工作是彈性的；比例極限以后，進入了彈塑性階段；達到了屈服點（yield point或yield strength）fy后，出現(xiàn)了一段純塑性變形，也稱為塑性平臺；此后強度又有所提高，出現(xiàn)所謂自強階段，直至產(chǎn)

25、生頸縮而破壞。破壞時的殘余延伸率表示鋼材的塑性性能。調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼沒有明顯的屈服點和塑性平臺。這類鋼的屈服點是以卸載后試件中殘余應變?yōu)?.2％所對應的應力人為定義的，稱為名義屈服點或f0.2（見圖2.6）。,鋼材的單調(diào)拉伸應力－應變曲線提供了三個重要的力學性能指標：抗拉強度（tensile strength）fu、伸長率（elongation）δ和屈服點fy?？估瓘姸萬u是鋼材一項重要的強度指標，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應力。

26、伸長率δ是衡量鋼材斷裂前所具有的塑性變形能力的指標，以試件破壞后在標定長度內(nèi)的殘余應變表示。屈服點fy是鋼結(jié)構設計中應力允許達到的最大限值，因為當構件中的應力達到屈服點時，結(jié)構會因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。承重結(jié)構的鋼材應滿足相應國家標準對上述三項力學性能指標的要求。,斷面收縮率ψ是試樣拉斷后，頸縮處橫斷面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比，也是單調(diào)拉伸試驗提供的一個塑性指標。ψ越大，塑性越好。 由單調(diào)拉伸試驗還

27、可以看出鋼材的韌性好壞。韌性可以用材料破壞過程中單位體積吸收的總能量來衡量，包括彈性能和非彈性能兩部分，其數(shù)值等于應力－應變曲線（圖2.6）下的總面積。,由圖2.6可以看到，屈服點以前的應變很小，如把鋼材的彈性工作階段提高到屈服點，且不考慮自強階段，則可把應力－應變曲線簡化為圖2.7所示的兩條直線，稱為理想彈塑性體的工作曲線。它表示鋼材在屈服點以前應力與應變關系符合虎克定律，接近理想彈性體工作；屈服點以后塑性平臺階段又近似于理想的塑性體

28、工作。這一簡化，與實際誤差不大，卻大大方便了計算，成為鋼結(jié)構彈性設計和塑性設計的理論基礎。,,圖2.7 理想彈塑性體應力—應變曲線,3、鋼材的其它性能 （1）冷彎性能 鋼材的冷彎性能（cold-bending behavior）由冷彎試驗確定。試驗時，根據(jù)鋼材的牌號和不同的板厚，按國家相關標準規(guī)定的彎心直徑，在試驗機上把試件彎曲180°以試件表面和側(cè)面不出現(xiàn)裂紋和分層為合格。冷彎試驗不僅能檢驗材

29、料承受規(guī)定的彎曲變形能力的大小，還能顯示其內(nèi)部的冶金缺陷，因此是判斷鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標。焊接承重結(jié)構以及重要的非焊接承重結(jié)構采用的鋼材，均應具有冷彎試驗的合格保證。,（2）沖擊韌性 由單調(diào)拉伸試驗獲得的韌性沒有考慮應力集中和動荷作用的影響，只能用來比較不同鋼材在正常情況下的韌性好壞。沖擊韌性也稱缺口韌性（notch toughness）是評定帶有缺口的鋼材在沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標，通常用帶

30、有夏比V型缺口（Charpy V-notch）的標準試件做沖擊試驗，以擊斷試件所消耗的沖擊功大小來衡量鋼材抵抗脆性破壞的能力。沖擊韌性也叫沖擊功，用AKV或CV表示，單位為J（1J=1N×1m，即1焦耳＝1牛頓×1米）。,五、各種因素對鋼材性能的影響 1、化學成分的影響 如前所述，鋼是以鐵和碳為主要成分的合金，雖然碳和其它元素所占比例甚少，但卻左右著鋼材的性能。 碳是各

31、種鋼中的重要元素之一，在碳素結(jié)構鋼中則是鐵以外的最主要元素。碳是形成鋼材強度的主要成分，隨著含碳量的提高，鋼的強度逐漸增高，而塑性和韌性下降，冷彎性能、焊接性能和抗銹蝕性能等也變劣。,硫是有害元素，常以硫化鐵形式夾雜于鋼中。當溫度達800～1000℃時，硫化鐵會熔化使鋼材變脆，因而在進行焊接或熱加工時，有可能引發(fā)熱裂紋，稱為熱脆。此外，硫還會降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強度、抗銹蝕性能和焊接性能等。非金屬硫化物夾雜經(jīng)熱軋加工后還會在厚鋼板中

32、形成局部分層現(xiàn)象，在采用焊接連接的節(jié)點中，沿板厚方向承受拉力時，會發(fā)生層狀撕裂破壞。,磷可提高鋼的強度和抗銹蝕能力，但卻嚴重地降低鋼的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能，特別是在溫度較低時促使鋼材變脆，稱為冷脆。 錳是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種弱脫氧劑，可提高鋼材強度，消除硫?qū)︿摰臒岽嘤绊懀纳其摰睦浯鄡A向，同時不顯著降低塑性和韌性。錳還是我國低合金鋼的主要合金元素，其含量為0.8％～1.8％。但錳對焊接性能不利，因

33、此含量也不宜過多。,釩、鈮、鈦等元素在鋼中形成微細碳化物，加入適量，能起細化晶粒和彌散強化作用，從而提高鋼材的強度和韌性，又可保持良好的塑性。 鋁是強脫氧劑，還能細化晶粒，可提高鋼的強度和低溫韌性，在要求低溫沖擊韌性合格保證的低合金鋼中，其含量不小于0.015％。 鉻、鎳是提高鋼材強度的合金元素，用于Q390及以上牌號的鋼材中，但其含量應受限制，以免影響鋼材的其它性能。,銅和鉻、鎳、鉬等其它合金元素，可在

34、金屬基體表面形成保護層，提高鋼對大氣的抗腐蝕能力，同時保持鋼材具有良好的焊接性能。在我國的焊接結(jié)構用耐候鋼中，銅的含量為0.20％～0.40％。 鑭、鈰等稀土元素（RE）可提高鋼的抗氧化性，并改善其它性能，在低合金鋼中其含量按0.02％～0.20％控制。氧和氮屬于有害元素。氧與硫類似使鋼熱脆，氮的影響和磷類似，因此其含量均應嚴格控制。,氫是有害元素，呈極不穩(wěn)定的原子狀態(tài)溶解在鋼中，其溶解度隨溫度的降低而降低，常在結(jié)構疏

35、松區(qū)域、孔洞、晶格錯位和晶界處富集，生成氫分子，產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使鋼材開裂，稱為氫脆。氫脆屬于延遲性破壞，在有拉應力作用下，常需要經(jīng)過一定孕育發(fā)展期才會發(fā)生。在破裂面上常可見到白點，稱為氫白點。含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。鋼的強度等級越高，對氫脆越敏感。,2、鋼材的焊接性能 鋼材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影響。當含碳量在0.12％～0.20％范圍內(nèi)時，碳素鋼的焊接性能最好；含碳量超過上述范圍時

36、，焊縫及熱影響區(qū)容易變脆。一般Q235A的含碳量較高，且含碳量不作為交貨條件，因此這一牌號通常不能用于焊接構件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的適宜范圍之內(nèi)，是適合焊接使用的普通碳素鋼牌號。,在高強度低合金鋼中，低合金元素大多對可焊性有不利影響，我國行業(yè)標準《建筑鋼結(jié)構焊接技術規(guī)程》（JGJ81）推薦使用碳當量來衡量低合金鋼的可焊性，其的計算公式如下：

37、 （2.1） 其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分別為分別為碳、錳、鉻、鉬、釩、鎳和銅的百分含量。,鋼材焊接性能的優(yōu)劣除了與鋼材的碳當量有直接關系之外，還與母材厚度、焊接方法、焊接工藝參數(shù)以及結(jié)構形式等條件有關。目前，國內(nèi)外都采用可焊性試驗的方法來檢驗鋼材的焊接性能，從而制定出重要結(jié)構和構件的焊接制度和工藝。 3、鋼材的硬化 鋼材的硬化有三種情況

38、：時效硬化、冷作硬化（或應變硬化）和應變時效硬化。,在高溫時溶于鐵中的少量氮和碳，隨著時間的增長逐漸由固溶體中析出，生成氮化物和碳化物，散存在鐵素體晶粒的滑動界面上，對晶粒的塑性滑移起到遏制作用，從而使鋼材的強度提高，塑性和韌性下降（圖2.10a）。這種現(xiàn)象稱為時效硬化（也稱老化）。產(chǎn)生時效硬化的過程一般較長，但在振動荷載、反復荷載及溫度變化等情況下，會加速發(fā)展。 在冷加工（或一次加載）使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形的情況下，

39、卸荷后再重新加載，鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象（圖2.10a）稱為冷作硬化。,在鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體晶體中的固溶氮和碳將更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現(xiàn)象（圖2.10b），稱為應變時效硬化。這種硬化在高溫作用下會快速發(fā)展,,(a）時效硬化及冷作硬化 (b)應變時效硬化圖2.10 硬化對鋼材性能的影響,4、應力集中的影響 應力集中的嚴重程度用應力集中系數(shù)衡量，缺口邊緣

40、沿受力方向的最大應力σmax和按凈截面的平均應力σ0＝N/An（An為凈截面面積）的比值稱為應力集中系數(shù)。 即： k= σmax / σ0 應力集中現(xiàn)象還可能由內(nèi)應力產(chǎn)生。因此，在進行鋼結(jié)構設計時，應盡量使構件和連接節(jié)點的形狀和構造合理，防止截面的突然改變。在進行鋼結(jié)構的焊接構造設計和施工時，應盡量減少焊接殘余應力。,,,,a.薄板圓孔處的應力分布； b.薄板缺口處的應力分布； c.厚板缺口處的應力

41、分布圖2.11 板件在孔口處的應力集中,,,,圖2.12 應力集中對鋼材性能的影響,5、荷載類型的影響 荷載可分為靜力的和動力的兩大類。靜力荷載中的永久荷載屬于一次加載，活荷載可看作重復加載。動力荷載中的沖擊荷載屬于一次快速加載，吊車梁所受的吊車荷載以及建筑結(jié)構所承受的地震作用則屬于連續(xù)交變荷載，或稱循環(huán)荷載。,,1）加載速度的影響 在沖擊荷載作用下，加載速度很高，由于鋼材的塑性滑移在加載瞬間跟不上應變

42、速率，因而反映出屈服點提高的傾向。但是，試驗研究表明，在20℃左右的室溫環(huán)境下，雖然鋼材的屈服點和抗拉強度隨應變速率的增加而提高，塑性變形能力卻沒有下降，反而有所提高，即處于常溫下的鋼材在沖擊荷載作用下仍保持良好的強度和塑性變形能力。 應變速率在溫度較低時對鋼材性能的影響要比常溫下大得多。因此在鋼結(jié)構防止低溫脆性破壞設計中，應考慮加荷速率的影響。,,2）循環(huán)荷載的影響 鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積

43、損傷、產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后破壞，此現(xiàn)象稱為疲勞（fatigue）。 按照斷裂壽命和應力高低的不同，疲勞分為高周疲勞（high-cycle fatigue）和低周疲勞（low-cycle fatigue）兩類。,,6、溫度的影響 鋼材的性能受溫度的影響十分明顯。,,,圖2.14 低碳鋼在高溫下的性能,7、防止脆性斷裂的方法 由上述介紹可以看出，影響鋼材在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞的因

44、素主要有：鋼材的內(nèi)在因素，如鋼材的化學成分、組織構造和缺陷等；鋼材的外在因素，如構造缺陷和焊接加工引起的應力集中（特別是厚板的應力集中）、低溫影響、動荷作用、冷作硬化和應變時效硬化等。因此，為了防止脆性破壞的發(fā)生，應在鋼結(jié)構的設計、制造和使用過程中注意以下各點：,,1) 合理設計。首先，應正確選用鋼材。隨著鋼材強度的提高，其韌性和工藝性能一般都有所下降。因此，不宜采用比實際需要強度更高的材料。同時，對于低溫下工作、受動力荷載的鋼結(jié)構，應

45、使所選鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構的工作溫度。構造應力求合理，避免構件截面的突然改變，使之能均勻、連續(xù)地傳遞應力，減少構件和節(jié)點的應力集中。在滿足結(jié)構的正常使用條件下，應盡量減少結(jié)構的剛度和整體性，以防斷裂的失穩(wěn)擴展。如必須采用焊接連接時，應避免焊縫的密集和交叉，盡量采用焊接殘余應力小的構造形式，可參考有關焊接連接的內(nèi)容。,,(2) 正確制造。應嚴格按照設計要求進行制作，例如不得隨意進行鋼材代換，不得隨意將螺栓連接改為焊接連接等等。應盡量

46、采用鉆孔或沖孔后再擴鉆，以及對剪切邊進行刨邊等方法來避免冷作硬化現(xiàn)象。為了保證焊接質(zhì)量，盡量減少焊接殘余應力，應制定合理的焊接工藝和技術措施，并由考試合格的焊工施焊，必要時可采用熱處理方法消除主要構件中的焊接殘余應力。焊接中不得在構件上任意打火起弧。在制作和安裝過程中所造成的缺陷，如定位焊縫、引弧板、吊裝輔件等均應進行清理和修復。制作和安裝過程中及完成后，均要嚴格執(zhí)行質(zhì)量檢驗制度。,,(3) 合理使用。不得隨意改變結(jié)構使用用途或任意超負

47、荷使用結(jié)構；原設計在室溫工作的結(jié)構，在冬季停產(chǎn)檢修時要注意保暖；不在主要結(jié)構上任意焊接附加零件懸掛重物；避免因生產(chǎn)和運輸不當對結(jié)構造成撞擊或機械損傷；平時應注意檢查和維護等。,,六、建筑鋼的種類、規(guī)格和選用1、建筑用鋼的種類我國的建筑用鋼主要為碳素結(jié)構鋼和低合金高強度結(jié)構鋼兩種，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼在冷拔碳素鋼絲和連接用緊固件中也有應用。另外，厚度方向性能鋼板、焊接結(jié)構用耐候鋼、鑄鋼等在某些情況下也有應用。,,（1）碳素結(jié)構鋼按國家標準

48、《碳素結(jié)構鋼》GB/T700生產(chǎn)的鋼材共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275種品牌，板材厚度不大于16mm的中，塑性、韌性均較好。該牌號鋼材又根據(jù)化學成分和沖擊韌性的不同劃分為A、B、C、D共4個質(zhì)量等級，按字母順序由A到D，表示質(zhì)量等級由低到高。除A級外，其它三個級別的含碳量均在0.20％以下，焊接性能也很好。因此，規(guī)范將Q235牌號的鋼材選為承重結(jié)構用鋼。,,“F”代表沸騰鋼，“b”代表半鎮(zhèn)靜鋼，符號“Z”和“TZ”分

49、別代表鎮(zhèn)靜鋼和特種鎮(zhèn)靜鋼。在具體標注時“Z”和“TZ”可以省略。例如Q235B代表屈服點為235N/mm2的B級鎮(zhèn)靜鋼。在冷彎薄壁型鋼結(jié)構的壓型鋼板設計中，如由剛度條件而非強度條件起控制作用時，也允許采用Q215牌號的鋼材。,,（2）低合金高強度結(jié)構鋼按國家標準《低合金高強度結(jié)構鋼》GB/T1591生產(chǎn)的鋼材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等5種牌號，板材厚度不大于16mm的相應牌號鋼材的屈服點分別為295、34

50、5、390、420和460N/mm2。這些鋼的含碳量不大于0.20%，強度的提高主要依靠添加少量幾種合金元素來達到，合金元素的總量低于5％，故稱為低合金高強度鋼。,,其中Q345、Q390和Q420均按化學成分和沖擊韌性各劃分為A、B、C、D、E共5個質(zhì)量等級，字母順序越靠后的鋼材質(zhì)量越高。這三種牌號的鋼材均有較高的強度和較好的塑性、韌性、焊接性能，被規(guī)范選為承重結(jié)構用鋼。這三種低合金高強度鋼的牌號命名與碳素結(jié)構鋼的類似，只是前者的A

51、、B級為鎮(zhèn)靜鋼，C、D、E級為特種鎮(zhèn)靜鋼，故可不加脫氧方法的符號。,,（3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼（quality carbon structure steel）與碳素結(jié)構鋼的主要區(qū)別在于鋼中含雜質(zhì)元素較少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，其它缺陷的限制也較嚴格，具有較好的綜合性能。按照國家標準《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼技術條件》GB/T699生產(chǎn)的鋼材共有兩大類，一類為普通含錳量的鋼，另一類為較高含錳量的鋼。,,兩類的鋼號均

52、用兩位數(shù)字表示，它表示鋼中的平均含碳量的萬分數(shù)，前者數(shù)字后不加Mn，后者數(shù)字后加Mn，如45號鋼，表示平均含碳量為0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素鋼；45Mn號鋼，則表示同樣含碳量、但錳的含量也較高的優(yōu)質(zhì)碳素鋼?？砂床粺崽幚砗蜔崽幚恚ㄕ?、淬火、回火）狀態(tài)交貨，用做壓力加工用鋼（熱壓力加工、頂鍛及冷拔坯料）和切削加工用鋼。由于價格較高，鋼結(jié)構中使用較少，僅用經(jīng)熱處理的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼冷拔高強鋼絲或制作高強螺栓、自攻螺釘?shù)取?,牌號由三部分表示：含碳量

53、、合金元素的種類及含量。前兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分數(shù)；其后的元素符合表示按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附數(shù)字，表示其平均含量在1.5%以下；如附有數(shù)字“2”,表示其平均含量在1.5%～2.5%之間最后如附有“b”，表示為半鎮(zhèn)靜鋼，否則為鎮(zhèn)靜鋼。例如：16Mn表示平均含碳量為0.16%，平均含Mn量低于1.5%的鎮(zhèn)靜鋼。,,（4）其它建筑用鋼在某些情況下，要采用一些有別于上述牌號的鋼材時，其材質(zhì)應符合國家的相關標準。例如，

54、當焊接承重結(jié)構為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時，應符合《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定；處于外露環(huán)境對耐腐蝕有特殊要求或在腐蝕性氣、固態(tài)介質(zhì)作用下的承重結(jié)構采用耐候鋼時，應滿足《焊接結(jié)構用耐候鋼》GB/T4172的規(guī)定；當在鋼結(jié)構中采用鑄鋼件時，應滿足《一般工程用鑄造碳鋼件》GB/T11352的規(guī)定等。,,2、鋼材規(guī)格鋼結(jié)構所用鋼材主要為熱軋成型的鋼板和型鋼，以及冷加工成型的冷軋薄鋼板和冷彎薄壁型鋼等。（1）鋼板鋼板有

55、厚鋼板、薄鋼板、扁鋼（或帶鋼）之分。厚鋼板常用做大型梁、柱等實腹式構件的翼緣和腹板，以及節(jié)點板等；薄鋼板主要用來制造冷彎薄壁型鋼；扁鋼可用做焊接組合梁、柱的翼緣板、各種連接板、加勁肋等，鋼板截面的表示方法為在符號“－”后加“寬度×厚度”，如－200×20等。,,（2）熱軋型鋼常用的有角鋼、工字鋼、槽鋼等，見圖2.16a～f。角鋼分為等邊（也叫等肢）的和不等邊（也叫不等肢）的兩種，主要用來制作桁架等格構式結(jié)構的桿件

56、和支撐等連接桿件。角鋼型號的表示方法為在符號“L”后加“長邊寬×短邊寬×厚度”（對不等邊角鋼，如L125×80×8），或加“邊長×厚度”（對等邊角鋼，如L125×8）。目前我國生產(chǎn)的角鋼最大邊長為200mm，角鋼的供應長度一般為4～19m。,,,,(a)角鋼； (b)工字鋼；(c)槽鋼；(d)H型鋼；(e)T字鋼；(f)鋼管；(g)冷彎薄壁型鋼；(h)壓型鋼板圖2.16 熱

57、軋型鋼及冷彎薄壁型鋼,工字鋼有普通工字鋼、輕型工字鋼和H型鋼三種。普通工字鋼和輕型工字鋼的兩個主軸方向的慣性矩相差較大，不宜單獨用作受壓構件，而宜用作腹板平面內(nèi)受彎的構件，或由工字鋼和其它型鋼組成的組合構件或格構式構件。寬翼緣H型鋼平面內(nèi)外的回轉(zhuǎn)半徑較接近，可單獨用作受壓構件。普通工字鋼的型號用符號“I”后加截面高度的厘米數(shù)來表示，20號以上的工字鋼，又按腹板的厚度不同，分為a、b或a、b、c等類別，例如I20a表示高度為200mm，

58、腹板厚度為a類的工字鋼。輕型工字鋼的翼緣要比普通工字鋼的翼緣寬而薄，回轉(zhuǎn)半徑較大。,,H型鋼與普通工字鋼相比，其翼緣板的內(nèi)外表面平行，便于與其它構件連接。H型鋼的基本類型可分為寬翼緣（HW）、中翼緣（HM）及窄翼緣（HN）三類。還可剖分成T型鋼供應，代號分別為TW、TM、TN。H型鋼和相應的T型鋼的型號分別為代號后加“高度H×寬度B×腹板厚度t1×翼緣厚度t2”，例如HW400×400×

59、13×21和TW200×400×13×21等。寬翼緣和中翼緣H型鋼可用于鋼柱等受壓構件，窄翼緣H型鋼則適用于鋼梁等受彎構件。目前國內(nèi)生產(chǎn)的最大型號H型鋼為HN700×300×13×24。,,槽鋼有普通槽鋼和輕型槽鋼二種。適于作檁條等雙向受彎的構件，也可用其組成組合或格構式構件。槽鋼的型號與工字鋼相似，例如［32a指截面高度320mm，腹板較薄的槽鋼。目前國內(nèi)生產(chǎn)的最大

60、型號為［40c。供貨長度為5～19m。鋼管有無縫鋼管和焊接鋼管兩種。由于回轉(zhuǎn)半徑較大，常用作桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等平面和空間格構式結(jié)構的桿件；在鋼管混凝土柱中也有廣泛的應用。型號可用代號“D”后加“外徑d×壁厚t”表示，如D180×8等。國產(chǎn)熱軋無縫鋼管的最大外徑可達630mm。供貨長度為3～12m。焊接鋼管的外徑可以做的更大，一般由施工單位卷制。,,（3）冷彎薄壁型鋼采用1.5～6mm厚的鋼板經(jīng)冷彎和輥壓成型的型材

61、（見圖2.16g），和采用0.4～1.6mm的薄鋼板經(jīng)輥壓成型的壓型鋼板（見圖2.16h），其截面形式和尺寸均可按受力特點合理設計，能充分利用鋼材的強度、節(jié)約鋼材，在國內(nèi)外輕鋼建筑結(jié)構中被廣泛地應用。近年來，冷彎高頻焊接圓管和方、矩形管的生產(chǎn)和應用在國內(nèi)有了很大的進展，冷彎型鋼的壁厚已達12.5mm（部分生產(chǎn)廠的可達22mm，國外為25.4mm）。,,3、鋼材的選擇（1）鋼材選用原則和建議鋼材的選用既要確保結(jié)構物的安全可靠，又要經(jīng)濟

62、合理，必須慎重對待。為了保證承重結(jié)構的承載能力，防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞，應根據(jù)結(jié)構的重要性、荷載特征、連接方法、工作環(huán)境、應力狀態(tài)和鋼材厚度等因素綜合考慮，選用合適牌號和質(zhì)量等級的鋼材。,,（2）國內(nèi)外鋼材的互換問題隨著經(jīng)濟全球化時代的到來，不少國外鋼材進入了中國的建筑領域。由于各國的鋼材標準不同，在使用國外鋼材時，必須全面了解不同牌號鋼材的質(zhì)量保證項目，包括化學成分和機械性能，檢查廠家提供的質(zhì)保書，并應進行抽樣復驗，其復驗結(jié)果

63、應符合現(xiàn)行國家產(chǎn)品標準和設計要求，方可與我國相應的鋼材進行代換。,,七、鋼材的材質(zhì)檢驗及驗收1、一般要求鋼結(jié)構工程采用的鋼材，都應具有質(zhì)量證明書，當對鋼材的質(zhì)量有疑義時，可按國家現(xiàn)行有關標準的規(guī)定進行抽樣檢驗。鋼材通用的檢驗項目、取樣數(shù)量和試驗方法參見表2.8。鋼材應成批進行驗收，每批由同一牌號、同一尺寸、同一交貨狀態(tài)組成，重量不得大于60t。有A級鋼或B級鋼允許同一牌號、同一質(zhì)量等級、同一冶煉和澆筑方法、不同爐罐號組成目合批，但每

64、批不得多于6個爐罐號，且每爐罐號含碳量之差不得大于0.02%.含錳量之差不得大于0.15%。,,符合下列情況的，鋼結(jié)構工程用的鋼材須同時具備材質(zhì)質(zhì)量保證書和試驗報告：①國外進口的鋼材；④鋼材不同批次混淆；③鋼材質(zhì)量保證書的項目少于設計要求(應提供缺少項目對應的試驗報告單)；④設計有特殊要求的鋼結(jié)構用鋼材。,,表2.8鋼材通用檢驗項目規(guī)定,2、鋼材性能復驗（1）化學成分分析常見項目，對鋼廠生產(chǎn)能力有懷疑，鋼材表面銘牌標記不清，鋼號不明

65、時一般都要取樣做化學成分分析。按國家標準規(guī)定，復驗屬于成品分析，試樣必須在鋼材具有代表性的部位采取?；瘜W分析用試樣樣屑，可以鉆取、刨取或用其他工具機制取。采樣時嚴禁接觸油類，防止油類中的碳使復試結(jié)果發(fā)生偏差；為防止浮銹物和表面脫碳等影響試驗結(jié)果，必須去除鋼材表面銹蝕或氧化鐵皮并有足夠的深度。,,（2）鋼材性能試驗鋼材性能復試項目中主要是力學性能和工藝性能酌復試。由于鋼材軋制方向等方面原因，鋼材各個都位的性能不盡相同，按標準規(guī)定截取試

66、樣才能正確反映鋼材的性能。1)試樣切取位置a)板材試樣。對鋼板和寬度大于或等于400mm的扁鋼，應在距離一邊約1/4板寬位置切取，見圖2.17。b)型材試樣。球扁鋼、T型鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼切取部位見圖2.17。,,,圖2.17 各種型材試樣切取位置,c)管材試樣。對于外徑小于30mm的鋼管，應取整個管段作試樣；當外徑大于30mm時，應剖管取縱向或橫向試樣；對大口徑鋼管，其壁厚小于8mm時，應取條狀試樣；當壁厚大于8mm時，也

67、可加工成圓形比例試樣，見圖2.18。,,,圖2.18管材試樣試樣切取位置,2)試樣切取方法a)拉伸試樣。板材試樣主軸線與最終軋制方向垂直；型鋼試樣主軸線與最終軋制方向平行。b)沖擊試樣?？v向沖擊試樣主軸絨與最終軋制方向平行；橫向沖擊試樣主軸線與最終軋制方向垂直。,,,3)試驗方法a)鋼材拉伸試驗應符合國家標準《金屬拉伸試樣方法》(GB 228-87)的規(guī)定。b)鋼材沖擊試驗應符合國家標準《金屬夏比(V形缺口)沖擊試驗方法》(GB

68、/T229-94)的規(guī)定。c)鋼材彎曲試驗應符合國家標準《金屬彎曲試驗方法》(GB232-88)的規(guī)定。,,,3、試驗取樣數(shù)量常用鋼材化學成分分析和鋼材性能試驗取樣數(shù)量見表2.9。,,,,,表2.9鋼材化學成分分析和鋼材性能試驗取樣數(shù)量,4、鋼材的驗收鋼材驗收應達到以下要求：(1) 鋼材的品種和數(shù)量是否與訂貨單一致。(2)鋼材的質(zhì)量保證書是否與鋼材上打印的記號相符。(3)核對鋼材的規(guī)格尺寸，測量鋼材尺寸是否符合標準規(guī)定，尤其